CN111076838B - 一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，属于矿井煤自燃灾害防治技术领域。该示踪定位方法是该方法是将采空区划分为多个区域，在各区域的遗煤上喷施相应的温敏微胶囊，各区域内的温敏微胶囊能在融化温度下释放相应气味的示踪气体，通过示踪气体的气味判断煤自燃隐患区域。本发明的示踪定位方法能准确判定和定位煤自然区域，且实施过程简单，现场施工工作量小，无需专门的检测仪器及专职检测人员，井下工作人员根据嗅觉即可辨识采空区是否发生煤自燃灾害，温敏微胶囊材料的示踪性芯材挥发的气味无毒无害，灵敏度高，绿色安全，可靠性好。

Description

一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法
技术领域
本发明涉及矿井煤自燃灾害防治技术领域，具体涉及一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法。
背景技术
矿井煤自燃灾害是矿井灾害最主要的诱发因素，严重制约着煤炭工业的健康发展。随着矿井开采深度的增加，原始地温增加，煤自燃倾向性增强；同时伴随着矿井机械化放顶煤开采、特厚煤层分层开采、孤岛工作面开采等技术的实施，采空区遗煤量增加，煤自燃灾害将越来越严重。在矿井煤自燃灾害中，开采工作面后部采空区煤自燃灾害占到事故总量的80％以上。采空区面积大，遗煤分布不均匀，且受漏风量、煤自燃倾向性等影响，煤自燃灾害频发，且不同开采条件下的煤自燃区域分布差异大。因此，矿井煤自燃防治的关键在于采空区煤自燃隐患区域的有效处置，采取有效防控措施的前提，则是精准判定采空区内部的煤自燃灾害的发生及发展区域。
目前，采空区煤自燃灾害的检测预报方法主要有气体分析法、测温法、红外探测法等，但这些方法在煤矿现场的适用性和可操作性存在诸多限制。气体分析法是依据煤氧化过程产生的标志气体的类型和数量的不同，随着漏风在采空区裂隙中运移，实现煤自燃程度的判定，但该方法难以精准判定煤自燃灾害发生的区域，且容易受采空区漏风量的影响而产生漏报。测温法需要开采过程中，在采空区布置温度传感器或者测温光纤，随着工作面推移，逐渐埋入采空区，实现煤自燃特征温度的检测，该方法灵敏度高，准确性好，但是要实现采空区大面积检测，则要网格化密集布置测点，检测成本高，且随着顶板冒落，可能挤压损坏传感器或者测温光纤，可靠性较差。红外探测法主要针对矿井巷道煤壁火灾进行探测，对采空区深部的煤自燃灾害不适用。
温敏微胶囊，由微胶囊囊壁和示踪性芯材组成，以其优良的温度敏感性、良好的囊壁包裹性，以成为近年来的研究热点。同时，市场上涌现出大量根据客户要求定制温敏微胶囊的公司(例如安徽美科迪智能微胶囊科技有限公司、上海儒熵新能源科技有限公司等)，并已经在各个行业进行广泛应用。目前，已有部分学者提出温敏微胶囊用于矿井采空区煤自燃灾害的检测(参见专利CN 109738128 A)，但是该检测方法仅仅用于煤自燃灾害的预报，未提出如何实现采空区煤自燃隐患区域的判定，对大面积采空区煤自燃灾害防治措施的实施指导性不强。基于此，利用现有的不同类型的温敏微胶囊，针对煤层开采过程采空区自燃灾害检测的技术难点，提出一种煤自燃隐患区域定位方法，在煤自燃灾害发生的前期(氧化值临界温度以前)，实现灾害发生区域的精准判定，为煤自燃灾害的防治提供准确依据。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法。
本发明提供了一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，该方法是将采空区划分为多个区域，在各区域的遗煤上喷施相应的温敏微胶囊，各区域内的温敏微胶囊能在融化温度下释放相应气味的示踪气体，通过示踪气体的气味判断煤自燃隐患区域。
较佳地，煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，具体包括以下步骤：
S1、分析工作面开采过程采空区的遗煤分布，确定煤自燃检测的范围，对采空区进行条带划分，确定检测精度；
S2、根据确定的检测精度，选择对应的温敏微胶囊材料；
S3、将选定的温敏微胶囊材料，分别喷施于对应的条带划分的采空区遗煤上，并将温敏微胶囊材料与喷施区域的对应关系，标注于工作面开采设计图上；
S4、井下工作人员在工作面作业时，一旦嗅到温敏微胶囊材料释放出的示踪气味，便可判定采空区发生了煤自燃隐患；
S5、根据温敏微胶囊材料分布及示踪性芯材的气味特征，结合采空区“三带”分布规律，精准判定煤自燃隐患区域。
较佳地，温敏微胶囊材料由微胶囊囊壁材料和包覆在其内部的示踪性芯材构成，微胶囊囊壁材料的融化温度，介于开采煤层的原始地温值至煤层的自燃临界温度值之间。
较佳地，微胶囊囊壁材料为温敏聚氨酯高分子材料。
较佳地，示踪性芯材选用人体嗅觉分辨度高，且不与煤体氧化标志气体或挥发分重合的香精材料。
较佳地，香精材料为工业或者食用香精。
较佳地，温敏微胶囊材料的喷施方法具体如下：将温敏微胶囊材料分散于溶液介质中，采用喷雾装置，将含有温敏微胶囊材料溶液喷洒于对应的检测区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本方法可有效实现采空区煤自燃的预报及隐患区域的精准判定，可根据现场需求调整检测精度，检测精度要求越高，则区域划分越精细，比常规自燃隐患区域判定(数百至数千平方米)，精细划分后，提高了定位的精准(数十平方米)，有效提高了煤自燃灾害防治的针对性。
(2)选用的温敏微胶囊材料在低于煤层的自燃临界温度值时，即可释放示踪气体而发生灾害预报，为煤自燃灾害早期防治措施的实施赢得宝贵时间。
(3)选用的温敏微胶囊材料，相对温度传感器或者测温光纤，具有成本低，检测密度大，不会出现煤自燃灾害的漏报现象。
(4)实施过程简单，现场施工工作量小，无需专门的检测仪器及专职检测人员，井下工作人员根据嗅觉即可辨识采空区是否发生煤自燃灾害，温敏微胶囊材料的示踪性芯材挥发的气味无毒无害，灵敏度高，绿色安全，可靠性好。
附图说明
图1为本实施例采空区条带划分及煤自燃隐患区域精准定位示意图
附图标记说明：
1—进风侧条带区；2—回风侧条带区；3—采空区中部条带一区；4—采空区中部条带二区；5—采空区中部条带三区；6—进风侧条带煤自燃隐患区(进风侧条带区与氧化升温带的交汇区域)；7—采空区中部条带一区煤自燃隐患区域(采空区中部条带一区与氧化升温带的交汇区域)；8—采空区中部条带二区煤自燃隐患区域(采空区中部条带二区与氧化升温带的交汇区域)；9—采空区中部条带三区煤自燃隐患区域(采空区中部条带三区与氧化升温带的交汇区域)；10—回风侧条带煤自燃隐患区(回风侧条带区与氧化升温带的交汇区域)；11—采煤工作面；12—回风隅角；13—进风巷；14—回风巷；15—温敏微胶囊A；16—温敏微胶囊B；17—温敏微胶囊C；18—温敏微胶囊D；19—温敏微胶囊E。
具体实施方式
下面结合附图1，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，该方法是将采空区划分为多个区域，在各区域的遗煤上喷施相应的温敏微胶囊，各区域内的温敏微胶囊能在融化温度下释放相应气味的示踪气体，通过示踪气体的气味判断煤自燃隐患区域。
其中，每个区域对应同一种温敏微胶囊，且每种温敏微胶囊内的示踪香料能释放不同气味的气体。
煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，具体包括以下步骤：
S1、分析工作面开采过程采空区的遗煤分布，确定煤自燃检测的范围，对采空区进行条带划分，确定检测精度；
S2、根据确定的检测精度，选择对应的温敏微胶囊材料；
S3、将选定的温敏微胶囊材料，分别喷施于对应的条带划分的采空区遗煤上，并将温敏微胶囊材料与喷施区域的对应关系，标注于工作面开采设计图上；
S4、井下工作人员在工作面作业时，一旦嗅到温敏微胶囊材料释放出的示踪气味，便可判定采空区发生了煤自燃隐患；
S5、根据温敏微胶囊材料分布及示踪性芯材的气味特征，结合采空区“三带”分布规律，精准判定煤自燃隐患区域。
其中，温敏微胶囊材料由微胶囊囊壁材料和包覆在其内部的示踪性芯材构成，微胶囊囊壁材料的融化温度，介于开采煤层的原始地温值至煤层的自燃临界温度值之间。
作为举例，选用的微胶囊囊壁材料的融化温度，介于T地温(开采煤层的原始地温值，约为25～45℃)至T临界(煤层的自燃临界温度值，约为60～80℃)。
其中，微胶囊囊壁材料为温敏聚氨酯高分子材料。
其中，示踪性芯材选用人体嗅觉分辨度高，且不与煤体氧化标志气体或挥发分重合的香精材料。
其中，香精材料为工业或者食用香精。
其中，温敏微胶囊材料的喷施方法具体如下：将温敏微胶囊材料分散于溶液介质中，采用喷雾装置，将含有温敏微胶囊材料溶液喷洒于对应的检测区域。
山东某矿开采深度为-960米水平，现开采的4#煤层厚度8.2m；矿井原始地温40℃；经实验测定煤自然发火期36天，煤自燃临界温度为70℃，属于典型的易自燃煤层矿井。1403综放工作面倾向长度180m，采高3.5m，放顶煤4.7m；采空区遗煤多，漏风量大，极易发生煤自燃灾害。
如图1所示，一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法：
该矿井1403综放工作面开采过程采空区进风侧1、回风侧2遗留松散煤体厚度平均为5.8米(宽度5米)，采空区中部(3、4、5)遗留松散煤体厚度平均为1.2米(宽度170米)，需要对整个采空区(1、2、3、4、5)进行检测。根据煤自燃氧化规律，最易于自燃的区域为采空区进、回风侧遗煤区(1、2)，其次为采空区中部遗煤区(3、4、5)。将整个采空区岩工作面走向划分为进风侧条带区1，回风侧条带区2，采空区中部条带区根据工作面长度等间距分为3个条带区域，分别为条带一区3，采空区中部条带二区4，采空区中部条带三区5，该工作面的检测精度为5。
根据确定的检测精度，选择5中不同类型的温敏微胶囊材料。微胶囊囊壁材料采用温敏聚氨酯高分子材料(制作方法可参考《功能材料》2019年20期50卷文献《温敏聚氨酯膜制备及性能研究》)，融化温度为57℃，介于40～70℃之间。示踪性芯材选则薄荷香精粉末、草莓香精粉末、柠檬香精粉末、桂花香精粉末、榴莲香精粉末五种，制成五种类型的香精温敏微胶囊(15、16、17、18、19)。
将五种香精温敏微胶囊分散于水溶液中，采用临沂市兰山区上诺塑业公司的SN-SDBJ型手动气压喷雾器，将含有五种温敏微胶囊材料溶液分别喷洒于条带划分的检测区域(1、2、3、4、5)，香精温敏微胶囊材料及施工区域信息如表1所示。将不同类型温敏微胶囊材料喷洒区域，分别标注于工作面开采设计图上。
表1五种香精温敏微胶囊材料及对应区域
Figure BDA0002345793410000061
Figure BDA0002345793410000071
当采空区某一区域发生煤自燃时，内部温度升高至57℃时，该区域喷洒的香精温敏微胶囊(15、16、17、18、19中的一种)囊壁材料的融化，对应的粉末香精暴露于空气中逐渐挥发，随着采空区漏风运移至工作面区域。
井下工作人员在工作面11中部至回风隅角12之间的区域工作时，一旦嗅到薄荷气味，则判定采空区出现了煤自燃隐患。结合生产现场采空区煤自燃“三带”分布，可判定薄荷香精温敏微胶囊材料喷洒区域1与采空区“氧化升温带”的交汇区域6，即为煤自燃隐患区域。依此类推，井下工作人员嗅到16、17、18、19四种香精温敏微胶囊释放的示踪气味，则可分别判定7、8、9、10区域为煤自燃隐患区域。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、分析工作面开采过程采空区的遗煤分布，确定煤自燃检测的范围，对采空区进行条带划分，将整个采空区沿工作面走向划分为进风侧条带区，回风侧条带区，采空区中部条带区根据工作面长度等间距分为3个条带区域，确定检测精度；
S2、根据确定的检测精度，选择对应的温敏微胶囊材料，所述温敏微胶囊材料由微胶囊囊壁材料和包覆在其内部的示踪性芯材构成，微胶囊囊壁材料的融化温度，介于开采煤层的原始地温值至煤层的自燃临界温度值之间；所述示踪性芯材选用人体嗅觉分辨度高，且不与煤体氧化标志气体或挥发分重合的香精材料；每个区域对应同一种温敏微胶囊，且每种温敏微胶囊内的香精材料能释放不同气味的气体；
S3、将选定的温敏微胶囊材料，分别喷施于对应的条带划分的采空区遗煤上，并将温敏微胶囊材料与喷施区域的对应关系，标注于工作面开采设计图上；
S4、井下作业时，一旦嗅到温敏微胶囊材料释放出的示踪气味，便可判定采空区发生了煤自燃隐患；
S5、根据温敏微胶囊材料分布及香精材料的气味特征，结合采空区“三带”分布规律，精准判定煤自燃隐患区域。
2.如权利要求1所述的煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，其特征在于，所述微胶囊囊壁材料为温敏聚氨酯高分子材料。
3.如权利要求1所述的煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，其特征在于，所述香精材料为工业或者食用香精。
4.如权利要求1所述的煤自燃隐患区域精准判定的温敏示踪定位方法，其特征在于，所述温敏微胶囊材料的喷施方法具体如下：将温敏微胶囊材料分散于溶液介质中，采用喷雾装置，将含有温敏微胶囊材料溶液喷洒于对应的检测区域。
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